Energia de falha de empilhamento - Stacking-fault energy

A energia de falha de empilhamento (SFE) é uma propriedade dos materiais em uma escala muito pequena. É notado como γ SFE em unidades de energia por área.

Uma falha de empilhamento é uma interrupção da seqüência normal de empilhamento de planos atômicos em uma estrutura de cristal compacta . Essas interrupções carregam uma certa energia de falha de empilhamento. A largura da falha de empilhamento é consequência do equilíbrio entre a força repulsiva entre dois deslocamentos parciais de um lado e a força atrativa devida à tensão superficial da falha de empilhamento, por outro lado. A largura de equilíbrio é assim parcialmente determinada pela energia de falha de empilhamento. Quando o SFE é alto, a dissociação de um deslocamento total em dois parciais é energeticamente desfavorável, e o material pode deformar por deslizamento de deslocamento ou deslizamento cruzado. Materiais SFE mais baixos exibem falhas de empilhamento mais amplas e têm mais dificuldades para deslizamento cruzado. O SFE modifica a capacidade de um deslocamento em um cristal para deslizar em um plano de deslizamento de interseção . Quando o SFE é baixo, a mobilidade dos deslocamentos em um material diminui.

Material Latão Aço inoxidável Ag ( prata ) Au Si ( silício ) Ni ( níquel ) Cu ( cobre ) Mg ( magnésio ) Al ( Alumínio )
SFE ( mJ m -2 ) <10 <10 25 75 > 42 90 70 -78 125 160-250

Falhas de empilhamento e energia de falha de empilhamento

Uma falha de empilhamento é uma irregularidade na sequência de empilhamento planar de átomos em um cristal - em metais FCC, a sequência de empilhamento normal é ABCABC etc., mas se uma falha de empilhamento é introduzida, pode introduzir uma irregularidade como ABCBCABC na sequência de empilhamento normal. Essas irregularidades carregam uma certa energia que é chamada de energia de falha de empilhamento.

Influências no empilhamento de energia de falha

Um gráfico de como o SFE diminui rapidamente com o teor de liga de zinco . Dados retirados de.
Um gráfico de como o SFE diminui rapidamente com o teor de liga de alumínio . Dados retirados de.

A energia de falha de empilhamento é fortemente influenciada por alguns fatores principais, especificamente metal básico, metais de liga, porcentagem de metais de liga e razão valência-elétron para átomo.

Efeitos de elementos de liga em SFE

Há muito foi estabelecido que a adição de elementos de liga reduz significativamente o SFE da maioria dos metais. Qual elemento e quanto é adicionado afeta dramaticamente o SFE de um material. As figuras à direita mostram como o SFE do cobre diminui com a adição de dois elementos de liga diferentes; zinco e alumínio. Em ambos os casos, o SFE do latão diminui com o aumento do teor de liga. No entanto, o SFE da liga Cu-Al diminui mais rápido e atinge um mínimo mais baixo.

proporção e / a

Outro fator que tem um efeito significativo no SFE de um material e está muito relacionado com o conteúdo da liga é a razão e / a, ou a razão de elétrons de valência para átomos. Thornton mostrou isso em 1962 plotando a razão e / a vs SFE para algumas ligas à base de Cu. Ele descobriu que a razão valência-elétron para átomo é um bom preditor de empilhamento de energia de falha, mesmo quando o elemento de liga é alterado. Isso apóia diretamente os gráficos à direita. O zinco é um elemento mais pesado e possui apenas dois elétrons de valência, enquanto o alumínio é mais leve e possui três elétrons de valência. Assim, cada porcentagem em peso de alumínio tem um impacto muito maior no SFE da liga à base de Cu do que o zinco.

Efeitos da energia de falha de empilhamento na deformação e textura

Os dois métodos principais de deformação em metais são deslizamento e geminação. O deslizamento ocorre por deslizamento de deslocamento de qualquer parafuso ou deslocamentos da borda dentro de um plano de deslizamento. O deslizamento é de longe o mecanismo mais comum. A geminação é menos comum, mas ocorre facilmente em algumas circunstâncias.

A geminação ocorre quando não há sistemas de deslizamento suficientes para acomodar a deformação e / ou quando o material tem um SFE muito baixo. Os gêmeos são abundantes em muitos metais de baixo SFE, como ligas de cobre, mas raramente são vistos em metais de alto SFE, como o alumínio.

Para acomodar grandes deformações sem fraturamento, deve haver pelo menos cinco sistemas de deslizamento ativos e independentes. Quando o deslizamento cruzado ocorre frequentemente e certos outros critérios são atendidos, às vezes apenas três sistemas de deslizamento independentes são necessários para acomodar grandes deformações.

Por causa dos diferentes mecanismos de deformação em materiais de alto e baixo SFE, eles desenvolvem texturas diferentes.

Materiais de alto SFE

Materiais com alto SFE deformam-se por deslizamento de deslocamentos completos. Como não há falhas de empilhamento, os deslocamentos dos parafusos podem deslizar. Smallman descobriu que o deslizamento cruzado ocorre sob baixa tensão para materiais com alto SFE, como o alumínio (1964). Isso dá ao metal ductilidade extra porque com o deslizamento cruzado ele precisa de apenas três outros sistemas de deslizamento ativo para sofrer grandes deformações. Isso é verdade mesmo quando o cristal não está orientado de maneira ideal.

Materiais com alto SFE, portanto, não precisam mudar a orientação para acomodar grandes deformações devido ao deslizamento transversal. Alguma reorientação e desenvolvimento de textura ocorrerão conforme os grãos se movem durante a deformação. O deslizamento cruzado extenso devido à grande deformação também causa alguma rotação do grão. No entanto, esta reorientação de grãos em materiais de alto SFE é muito menos prevalente do que em materiais de baixo SFE.

Materiais com baixo SFE

Os materiais com baixo SFE combinam e criam deslocamentos parciais. Formam-se parciais em vez de deslocamentos de parafuso. Os parafusos que existem não podem deslizar através das falhas de empilhamento, mesmo sob altas tensões. Cinco ou mais sistemas de deslizamento devem estar ativos para que grandes deformações ocorram devido à ausência de deslizamento cruzado. Para ambas as direções <111> e <100>, existem seis e oito sistemas de deslizamento diferentes, respectivamente. Se o carregamento não for aplicado próximo a uma dessas direções, cinco sistemas de deslizamento podem estar ativos. Nesse caso, outros mecanismos também devem estar no local para acomodar grandes cepas.

Materiais com baixo SFE também gêmeas quando tensionados. Se a geminação por deformação for combinada com a deformação por cisalhamento regular, os grãos eventualmente se alinham em direção a uma orientação mais preferida. Quando muitos grãos diferentes se alinham, uma textura altamente anisotrópica é criada.

Notas

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